2kg试验焦炉炼焦过程传输行为的数值模拟

仇灏¹，刘和平²，张雪红³

(1. 钢铁研究总院有限公司先进钢铁流程及材料国家重点实验室， 北京 100081；2. 中国钢研科技集团有限公司数字化研发中心， 北京 100081；3. 宝钢股份中央研究院武汉分院， 湖北 武汉 430080)

摘要：为了研究炼焦过程中煤传热传质现象的规律，建立2 kg试验炼焦过程流动、传热及传质过程的数学模型。模型中将装炉煤/焦饼假设为多孔介质，结合水分蒸发冷凝与挥发分析出子模型，模拟了配合煤焦化过程中的传热、水分传递、挥发分析出及荒煤气流动等现象，并分析水分含量对煤层中心温度的影响。结果表明，数学模型可反映试验焦炉炼焦过程中的传输现象。炼焦过程中，焦饼温度会受到烟道回流空气的影响，顶部装炉煤成焦所需时间较长。在水蒸气冷凝的作用下，装炉煤中心水分含量会在焦化过程中逐渐升高，并使装炉煤中心温度达到100 ℃时形成恒温平台。

关键词：焦化； 多孔介质； 数值模拟； 水分蒸发冷凝； 挥发分析出

1 引言

中国是钢铁生产大国，也是世界上第一大焦炭生产国。随着国内节能环保要求及冶金技术的不断提高，对优化工业焦炉生产工艺、提高焦炭质量的需求也日益增加。炼焦试验是研究优化工业焦炉生产工艺、预测焦炭质量的有效手段。然而，试验中会产生大量烟气，且焦化过程中复杂的传输行为(流动、传热、水分蒸发冷凝及挥发分析出)对结焦过程的影响难以测量。因此，能够充分反映焦化过程中各项传输行为且对环境友好的数值模拟计算方法就逐渐成为不少研究者研究焦化过程的重要手段。

早期Merrick D等研究者对炼焦过程中挥发分析出、装炉煤传热现象等进行了全面的研究分析，建立了一套描述焦化过程整体参数变化的数学模型。之后，部分研究者通过简化传输行为来模拟研究装炉煤结焦过程。Kardas＇ D等通过一维模型研究了湿煤焦化过程中水分含量对装炉煤传热及炉内压力的影响。JIN K等耦合模拟了燃烧室燃烧及炭化室炼焦过程，研究了工艺参数和操作参数对结焦时间的影响。Buczynski R等对焦炉热回收系统、焦炉炭化室等进行了数值模拟，其中以一维模型预测并研究了装炉煤焦化过程中沿炭化室高度方向煤层的传热、水分蒸发及挥发分析出等现象的规律。随着模型的日益完善，近年来很多研究者更为详细地计算了焦化过程中的挥发分析出流动现象。TANG Hui-qing等使用PHOENICS软件模拟了装炉煤焦化过程中挥发分的析出现象。LIN W等增加了平行反应模型，研究了6 m焦炉中床层温度、荒煤气成分分布及流动路径的变化规律。

目前在考虑水分迁移和挥发分析出流动现象的基础上，研究试验焦炉内装炉煤焦化过程的报道较少。因此，本文以实验室2 kg焦炉炼焦过程为研究对象，基于计算流体力学方法，建立了装炉煤焦化过程流动、传热、传质的数学模型，研究了焦炉内装炉煤焦化过程中的热量传输、荒煤气流动、水分迁移及挥发分析出等现象的规律，为研究工业焦炉炭化室内结焦过程奠定基础的同时，也为优化试验流程及现场生产工艺提供理论参考。

2 精选图表

3 结论

(1) 建立了二维2 kg试验焦炉焦化过程数学模型，装炉煤中心温度的模拟结果与试验测温结果呈相同趋势。

(2) 焦化过程中，在炉顶及装炉煤中荒煤气的传热影响下，煤层上部水分蒸发较快，最后的剩余水分在冷凝现象的作用下集中于煤层中心下部，且蒸发前水分含量大于初始水分含量。炭化室中部装炉煤水分质量分数最高达到12%以上。

(3) 在焦化后期，由于挥发分的充分释放及焦饼对荒煤气流动的阻碍，在靠近炉墙侧会形成低速流动区，炭化室炉墙受到的膨胀压力较小。试验及工业炼焦过程中需要减少烟道回流空气，可以降低焦饼成熟时间。

(4) 在水分蒸发冷凝现象的作用下，装炉煤中心温度会在100 ℃左右形成恒温平台，且水分含量越大，恒温平台持续时间越长。